Нормирование и регулирование качества воды в водоёмах

Охрана водоёмов от загрязнений осуществляется в соответствии с «Санитарными правилами и нормами охраны поверхностных вод от загрязнения» (1988 г.). Правила включают в себя общие требования к водопользователям в части сброса сточных вод в водоёмы. Правилами установлены две категории водоёмов: 1 – водоёмы питьевого и культурно-бытового назначения; 2 – водоёмы рыбохозяйственного назначения. Состав и свойства воды водных объектов первого типа должны соответствовать нормам в створах, расположенных в водотоках на расстоянии не менее одного километра выше ближайшего по течению пункта водопользования, а в непроточных водоёмах – в радиусе не менее одного километра от пункта водопользования. Состав и свойства воды в водоёмах II типа должны соответствовать нормам в месте выпуска сточных вод при рассеивающем выпуске (при наличии течений), а при отсутствии рассеивающего выпуска – не далее чем в 500 м от места выпуска.

Правилами установлены нормируемые значения для следующих параметров воды водоёмов: содержание плавающих примесей и взвешенных частиц, запах, привкус, окраска и температура воды, значение рН, состав и концентрация минеральных примесей и растворённого в воде кислорода, биологическая потребность воды в кислороде, состав и ПДК ядовитых и вредных веществ и болезнетворных бактерий (приложения А и Б).

Вредные и ядовитые вещества разнообразны по своему составу, в связи с чем, их нормируют по принципу лимитирующего показателя вредности (ЛПВ), под которым понимают наиболее вероятное неблагоприятное воздействие данного вещества. Для водоёмов первого типа используют три типа ЛПВ: санитарно-токсикологический, общесанитарный и органолептический, для водоёмов второго типа – ещё два вида: токсикологический и рыбохозяйственный.

Санитарное состояние водоёма отвечает требованиям норм при выполнении неравенства:

(3.1.1)

для каждой из трёх (для водоёмов второго типа – для каждой из пяти) групп вредных веществ, ПДК которых установлены соответственно по санитарно-токсикологическому ЛПВ, общесанитарному ЛПВ, органо-лептическому ЛПВ, а для рыбохозяйственных водоёмов – ещё и по токсикологическому ЛПВ и рыбохозяйственному ЛПВ.

Здесь n – число вредных веществ в водоёме, относящихся, положим, к «санитарно-токсикологической» группе вредных веществ;

C_i – концентрация i-го вещества из данной группы вредных веществ;

m – номер группы вредных веществ, например, m = 1 – для «санитарно-токсикологической» группы вредных веществ, m = 2 – для «общесанитарной» группы вредных веществ и т.д. – всего пять групп.

При этом должны учитываться фоновые концентрации C_ф вредных веществ, содержащихся в воде водоёма до сброса сточных вод. При преобладании одного вредного вещества с концентрацией С в группе вредных веществ данного ЛПВ должно выполняться требование:

, (3.1.2)

Использование соотношения (3.1.1) основано на допущении применимости принципа аддитивности вредностей разных веществ, относящихся, например, к четвёртой, «токсикологической» группе вредных веществ. То есть допускается, что интегральная «вредность» многокомпонентной системы вредных веществ может быть определена как арифметическая сумма «вредностей» отдельных компонент. Между тем известно явление синергизма, когда два или более вредных (ядовитых) веществ могут дать эффект вредного действия на организм, во много раз превосходящий сумму действия каждого из них.

Установлены ПДК для более 400 вредных основных веществ в водоёмах питьевого и культурно-бытового назначения, а также, более 100 вредных основных веществ в водоёмах рыбохозяйственного назначения. В таблице 3.1.1 приведены ПДК некоторых веществ в воде водоёмов.

Для самих сточных вод ПДК не нормируются, а определяются предельно допустимые количества сброса вредных примесей, ПДС. Поэтому минимально необходимая степень очистки сточных вод перед сбросом их в водоём определяется состоянием водоёма, а именно, фоновыми концентрациями вредных веществ в водоёме, расходом воды водоёма и др., то есть способностью водоёма к разбавлению вредных примесей.

Запрещено сбрасывать в водоёмы сточные воды, если существует возможность использовать более рациональную технологию, безводные процессы и системы повторного и оборотного водоснабжения – повторное или постоянное (многократное) использование одной и той же воды в технологическом процессе; если стоки содержат ценные отходы, которые возможно утилизировать; если стоки содержат сырьё, реагенты и продукцию производства в количествах, превышающих технологические потери; если сточные воды содержат вещества, для которых не установлены ПДК. Режим сброса может быть единовременным, периодическим, непрерывным с переменным расходом, случайным. При этом необходимо учитывать, что расход воды в водоёме (дебет реки) изменяется и по сезонам, и по годам. В любом случае должны удовлетворяться требования условия (3.1.2).

В соответствии с изложенным, одной из задач мониторинга и регулирования качества вод в водоёмах является задача определения допустимого состава сточных вод.

Таблица 3.1.1 – предельно допустимые концентрации некоторых вредных веществ в водоёмах

Вещество	Водоёмы I категории	Водоёмы II категории
ЛПВ	ПДК, г/м3	ЛПВ	ПДК, г/м3
Бензол	Санитарно- токсикологический	0,500	Токсикологический	0,500
Фенолы	Органолептический	0,001	Рыбохозяйственный	0,001
Бензин, керосин	То же	0,100	То же	0,050
Сd2+	Санитарно- токсикологический	0,010	Токсикологический	0,005
Cu2+	Органолептический	1,000	То же	0,010
Zn2+	Общесанитарный	1,000	- « -	0,010
Цианиды	Санитарно- токсикологический	0,100	- « -	0,050
Cr6+	Органолептический	0,100	-	0,000

Уравнение баланса растворённой примеси при сбросе её в водоток (реку) с учётом начального разбавления в створе выпуска имеет вид:

(3.1.3)

Здесь С_сm , С_р.с , С_ф – концентрации примеси в сточных водах до выпуска в водоём, в расчётном створе и фоновая концентрация примеси соответственно, мг/кг;

n_o и n_р.с – кратность разбавления сточных вод в створе выпуска (начальное разбавление) и в расчётном створе, соответственно.

Начальное разбавление сточных вод в створе их выпуска:

, (3.1.4)

где Q_o = LHV – часть расхода водостока, протекающая над рассеивающим выпуском, имеющим, положим, вид перфорированной трубы, уложенной на дно, м³ /с;

q – расход сточных вод, м³ /с;

L – длина рассеивающего выпуска (перфорированной трубы), м;

H, V – средние глубина и скорость потока над выпуском, м и м/с.

После подстановки (2.5.4) в (2.5.3) получим, что

(3.1.5)

При LHV >> q

(3.1.6)

По ходу водостока струя сточной воды расширяется (за счёт диффузии, турбулентной и молекулярной), вследствие чего в струе происходит перемешивание сточной воды с водой водотока. В конечном счете, створ (сечение) струи расширится до створа водотока. В этом месте достигается максимально возможное для данного водотока разбавление вредной примеси. В зависимости от величин кратности начального разбавления, ширины, скорости, извилистости и других характеристик водотока концентрация вредной примеси (С_р.с ) может достигнуть значения её ПДК в разных створах загрязнённой струи. Чем раньше это произойдёт, тем меньший участок (объём) водотока будет загрязнён вредной примесью выше нормы. Понятно, что самый подходящий вариант – когда условие (3.1.2) обеспечивается уже в самом месте выпуска и, таким образом, размеры загрязнённого участка водотока будут сведены к нулю.

Расстояние от створа выпуска до расчётного створа, то есть до створа с заданной величиной кратности разбавления, n_р.с или – что фактически тоже – с заданной концентрацией вредной примеси, например, равной её ПДК будет равно:

, (3.1.7)

где А = 0,9…2,0 – коэффициент пропорциональности, зависящий от категории русла и среднегодового расхода воды водотока;

В – ширина водотока, м;

х – ширина части русла, в которой не производится выпуск (труба не перекрывает всю ширину русла), м;

j – коэффициент извилистости русла: отношение расстояния между створами по фарватеру к расстоянию по прямой;

Re_д = V H / D – диффузионный критерий Рейнольдса.

Расширение загрязнённой струи по ходу водотока происходит, в основном, за счёт турбулентной диффузии, её коэффициент

, (3.1.8)

где g – ускорение свободного падения, м² /с;

М – функция коэффициента Шези для воды. М=22,3 ;

С_ш – коэффициент Шези, С_ш =40…44 .

После потенцирования (2.8) получается значение n_р.с. в явном виде

. (3.1.9)

Подставив выражение для n_р.с в (3.1.6) и полагая С_р.с = ПДК, получаем:

]. (3.1.10)

Уравнение (3.1.10) означает: если при начальном разбавлении, определяемом величинами L, H, V, и при известных характеристиках водотока j , А, В, х, Re_д , С_ф необходимо, чтобы на расстоянии S от выпуска стоков концентрация вредного вещества была на уровне ПДК и меньше, то концентрация вредного вещества в стоках перед сбросом не должна быть больше величины C_cm , вычисляемой по (3.1.10). Перемножив обе части (3.1.10) на величину q, приходим к тому же условию, но уже через предельно-допустимый сброс C_cm q = ПДС:

. (3.1.11)

Из общего решения (3.1.11) следует тот же результат, который получен выше на основе простых соображений. В самом деле, положим, что решается задача: каким может быть максимальный (предельно допустимый) сброс сточной воды в водоток, чтобы уже в месте выпуска (S=0) концентрация вредного вещества была равна ПДК, а для начального разбавления используется только пятая часть расхода водотока (дебета реки), то есть

LHV = 0,2 Q.

Поскольку при S = 0, n_р.с = 1, из (3.1.11) получаем:

ПДС = 0,2 ПДК

На изложенных принципах, в целом, основывается регулирование качества воды в водотоках при сбросе в них взвешенных, органических веществ, а также вод, нагретых в системах охлаждения предприятий.

Условия смешения сточных вод с водой озёр и водохранилищ отличаются от условий их смешения в водотоках – реках и каналах. Полное перемешивание стоков и вод водоёма достигается на существенно больших расстояниях от места выпуска, чем в водотоках.